DE102007059084B4 - Process for the production of biogas - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung von Biogas (B) aus einem Substrat (S1) mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere Geflügelkot, mit folgenden Schritten:
Verringern der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration auf einen vorgegebenen Wert durch Erhitzen des Substrats (S1),
Herstellen eines eine Mischung aus dem den vorgegebenen Wert der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration aufweisenden Substrat (S1) und einem weiteren Substrat (S2) enthaltenden Gärsubstrats,
Bestimmen einer zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration des Gärsubstrats und
Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat derart, dass ein Minimalwert von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unterschritten und ein Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird, wobei dem Gärsubstrat
(i) zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser (P) und
(ii) zum Erhöhen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration dem Gärsubstrat Substrat (S1)
zugesetzt wird.Method for producing biogas (B) from a substrate (S1) having a first ammonium nitrogen concentration of more than 5.0 kg NH 4 -N / m 3 , in particular poultry droppings, with the following steps:
Reducing the first ammonium nitrogen concentration to a predetermined value by heating the substrate (S1),
Producing a mixture of the substrate (S1) having the predetermined value of the first ammonium nitrogen concentration and a fermentation substrate containing a further substrate (S2),
Determining a second ammonium nitrogen concentration of the fermentation substrate and
Setting the second ammonium nitrogen concentration in the fermentation substrate in such a way that a minimum value of 3.0 kg NH 4 -N / m 3 is not fallen below and a maximum value of 5.5 kg NH 4 -N / m 3 is not exceeded, wherein the fermentation substrate
(I) for lowering the second ammonium nitrogen concentration of a fermented digestion withdrawn and purified by a reverse osmosis process water (P) and
(ii) to increase the second ammonium nitrogen concentration to the fermentation substrate (S1)
is added.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Substraten mit einer hohen ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration, insbesondere Geflügelkot.The The invention relates to a method for producing biogas from substrates with a high first ammonium nitrogen concentration, in particular Poultry.
Die
Beim Strippprozess wird der Ammoniumstickstoffgehalt um 70% bis 90% verringert. Infolge dessen enthält die rezirkulierte flüssige Phase des zweiten Teilstroms bis zu 30% Ammoniumstickstoff. Um einen zu hohen Gehalt an Ammonium im Gärsubstrat und eine dadurch bedingte Stickstoffhemmung zu vermeiden, kann bei dem bekannten Verfahren nur ein relativ geringer Anteil an eine hohe Ammonium-Stickstoffkonzentration aufweisenden Geflügelkot dem Gärsubstrat zugefügt werden. In der Regel beträgt der Anteil des Geflügelkots am Gärsubstrat nicht mehr als 25 Gew.-%.At the Stripping process, the ammonium nitrogen content is reduced by 70% to 90%. As a result contains the recirculated liquid Phase of the second partial flow up to 30% ammonium nitrogen. To one too high an ammonium content in the fermentation substrate and to avoid a consequent nitrogen inhibition, can at the known method only a relatively small proportion of a high ammonia nitrogen concentration containing poultry faeces fermentation substrate added become. Usually amounts to the proportion of chicken droppings on the fermentation substrate not more than 25% by weight.
Die
Aus
der
Die
Aus
der
Derzeit steigen die Preise für nachwachsende Rohstoffe wegen steigender Nachfrage stark an. Geflügelkot ist wegen seines hohen Stickstoffgehalts dagegen in der Regel nicht ohne Weiteres zu entsorgen und wird infolge dessen kostenlos abgegeben.Currently the prices rise for Renewable raw materials due to rising demand. Poultry excrement is because of its high nitrogen content, however, usually not to be disposed of without further ado and is given free of charge as a result.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gärsubstraten mit einem hohen Gehalt an Ammonium-Stickstoff, insbesondere Geflügelkot, anzugeben.task The present invention is to provide a simple and inexpensive feasible Process for the recovery of biogas from fermentation substrates with a high Content of ammonium nitrogen, in particular poultry excrement, indicate.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18.These The object is solved by the features of claim 1. Expedient refinements result arising from the features of the claims 2 to 18.
Nach
Maßgabe
der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus einem
Substrat mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als
5,0 kg NH4-N/m3,
insbesondere Geflügelkot,
mit folgenden Schritten vorgesehen:
Verringern der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration
auf einen vorgegebenen Wert durch Erhitzen des Substrats,
Herstellen
eines eine Mischung aus dem den vorgegebenen Wert der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration
aufweisenden Substrat und einem weiteren Substrat enthaltenden Gärsubstrats,
Bestimmen
einer zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration des Gärsubstrats
und
Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration
im Gärsubstrat
derart, dass ein Minimalwert von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unterschritten und ein Maximalwert
von 5,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird,
wobei dem Gärsubstrat
- (i) zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser und
- (ii) zum Erhöhen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration dem Gärsubstrat erstes Substrat
Reducing the first ammonium nitrogen concentration to a predetermined value by heating the substrate,
Producing a fermentation substrate containing a mixture of the substrate having the predetermined value of the first ammonium nitrogen concentration and a further substrate,
Determining a second ammonium nitrogen concentration of the fermentation substrate and
Setting the second ammonium nitrogen concentration in the fermentation substrate in such a way that a minimum value of 3.0 kg NH 4 -N / m 3 is not fallen below and a maximum value of 5.5 kg NH 4 -N / m 3 is not exceeded, wherein the fermentation substrate
- (I) for lowering the second ammonium nitrogen concentration of a fermented digestion withdrawn and purified by a reverse osmosis process and process water
- (ii) for increasing the second ammonium nitrogen concentration to the fermentation substrate first substrate
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, Gärsubstrate mit einem hohen Anteil an Substraten mit einer hohen ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration, insbesondere Geflügelkot, zu vergären. Es gelingt damit, in Abweichung vom Stand der Technik, Gärsubstrate mit einem Anteil von mehr als 30 Gew.-% an Geflügelkot in Biogas umzuwandeln. Erfindungsgemäß wird das insbesondere durch eine geeignete Einstellung der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat erreicht. Dabei wird zur besonders effizienten Verarbeitung des Substrats die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration vorzugsweise nahe des Maximalwerts eingestellt, beispielsweise in einem Bereich von mehr als 4,0 kg NH4-N/m3 bis 5,5 kg NH4-N/m3. Ein besonders bevorzugter Bereich der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration reicht von einem Minimalwert von 4,5 kg NH4-N/m3 bis zu einem Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3.With the proposed method, it is possible to ver fermentation substrates with a high proportion of substrates with a high first ammonium nitrogen concentration, in particular poultry faeces ferment. In contrast to the prior art, it is thus possible to convert fermentation substrates with a proportion of more than 30% by weight of poultry droppings into biogas. According to the invention, this is achieved in particular by a suitable adjustment of the second ammonium nitrogen concentration in the fermentation substrate. In this case, for particularly efficient processing of the substrate, the second ammonium nitrogen concentration is preferably set close to the maximum value, for example in a range of more than 4.0 kg NH 4 -N / m 3 to 5.5 kg NH 4 -N / m 3 . A particularly preferred range of the second ammonium nitrogen concentration ranges from a minimum value of 4.5 kg NH 4 -N / m 3 to a maximum value of 5.5 kg NH 4 -N / m 3 .
Zum Einstellen der vorgenannten Bereiche der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration kann es entweder erforderlich sein, die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration zu erniedrigen oder zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser zugesetzt. Derartiges Prozesswasser weist eine äußerst geringe Ammonium-Konzentration auf. Es ist jedenfalls so sauber, dass es durch Einleiten in Vorfluter oder in Flüsse entsorgt werden kann. Indem zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration Prozesswasser verwendet wird, kann einerseits der Verbrauch von wertvollem Frischwasser vermieden und andererseits ein Eintrag von Ammonium in das Gärsubstrat vermieden werden. Infolge dessen kann dem Gärsubstrat ein besonders hoher Anteil an Substrat bzw. Geflügelkot zugesetzt werden.To the Adjusting the aforementioned ranges of the second ammonium nitrogen concentration it may either be required, the second ammonium nitrogen concentration to humiliate or increase. According to the invention is for Lower the second ammonium nitrogen concentration to a fermented one digestate withdrawn and purified by a reverse osmosis process Process water added. Such process water has an extremely low Ammonium concentration on. It's so clean it is can be disposed of by discharge into receiving waters or rivers. By to Lowering the second ammonium nitrogen concentration process water On the one hand, the consumption of valuable fresh water can be used avoided and on the other hand, an entry of ammonium in the fermentation substrate be avoided. As a result, the fermentation substrate, a particularly high Proportion of substrate or poultry droppings be added.
Zum Einstellen des vorgenannten Bereichs der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration kann es auch erforderlich sein, diese zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird dem Gärsubstrat Substrat zugesetzt. Da das Substrat in der Regel eine erste Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere mehr als 10,0 kg NH4-N/m3, aufweist, kann damit die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration erhöht und gleichzeitig eine effiziente Entsorgung des Substrats erreicht werden.To set the aforementioned range of the second ammonium nitrogen concentration, it may also be necessary to increase it. For this purpose substrate is added to the fermentation substrate. Since the substrate generally has a first ammonium nitrogen concentration of more than 5.0 kg NH 4 -N / m 3 , in particular more than 10.0 kg NH 4 -N / m 3 , can thus the second ammonium nitrogen concentration increases and at the same time an efficient disposal of the substrate can be achieved.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Bestimmung der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Gärsubstrat gemessen. Insoweit können nach dem Stand der Technik bekannte Messgeräte verwendet werden. Vorteilhafterweise wird die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration mittels bekannter Messgeräte laufend gemessen und überwacht.To an advantageous embodiment is for determining the second Ammonium nitrogen concentration is the ammonium content or the ammonia content in the fermentation substrate measured. In that regard, can According to the prior art known measuring devices are used. advantageously, the second ammonium nitrogen concentration is determined by means of known Measuring device continuously measured and monitored.
In ähnlicher Weise kann auch die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration im Substrat bestimmt werden. Auch zu diesem Zweck kann der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Substrat gemessen werden. Dabei befindet sich das Substrat in einem gesonderten Vorratsbehälter.In similar The first ammonium nitrogen concentration in the substrate can also be obtained be determined. Also for this purpose, the ammonium content or the ammonia content in the substrate can be measured. It is located the substrate in a separate reservoir.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration durch Erhitzen des Substrats vor der Zugabe zum Gärsubstrat auf einen vorgegeben Wert verringert wird. Dabei kann der vorgegebene Wert in Abhängigkeit der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration sowie der Menge des Gärsubstrats und der Menge des Substrats ermittelt werden. Zum Erhitzen des Substrats kann vorteilhafterweise durch Verbrennen von Biogas erzeugtes Abgas verwendet werden. Biogas kann beispielsweise zum Antrieb eines Generators verbrannt werden. – Durch das vorgeschlagene Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur beispielsweise im Bereich von 50°C bis 100°C wird darin enthaltenes Ammonium in Form von Ammoniak entfernt. Damit kann die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration auf einfache Weise an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die jeweiligen Anforderungen werden beeinflusst durch die Menge des Gärsubstrats, die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration, eine Menge eines weiteren Substrats sowie die Beschaffenheit des weiteren Substrats.To proviso The invention provides that the first ammonium nitrogen concentration by heating the substrate prior to addition to the fermentation substrate is reduced to a predetermined value. The default Value in dependence the second ammonium nitrogen concentration and the amount of fermentation substrate and the amount of the substrate. For heating the substrate can advantageously by exhaust gas generated by burning biogas be used. Biogas, for example, can be used to drive a generator to be burned. - By the proposed heating of the substrate to a temperature, for example in the range of 50 ° C up to 100 ° C Ammonium contained in it is removed in the form of ammonia. In order to can the first ammonium nitrogen concentration in a simple way adapted to the respective requirements. The respective ones Requirements are influenced by the amount of fermentation substrate, the second ammonium nitrogen concentration, an amount of another Substrate and the nature of the other substrate.
Üblicherweise ist eine dritte Ammonium-Stickstoffkonzentration des weiteren Substrats kleiner als die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration. Infolge dessen kann auch durch die Beschaffenheit des weiteren Substrats sowie dessen Anteil im Gärsubstrat die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration erniedrigt werden. Das weitere Substrat kann im Wesentlichen aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen gebildet sein. Da das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auf eine effiziente Entsorgung hoch stickstoffhaltiger Substrate, insbesondere Geflügelkot, gerichtet ist, wird die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat durch Zusatz von Prozesswasser erniedrigt. Ferner wird eine Erniedrigung durch Erhitzen des Substrats erreicht. Eine weitere Erniedrigung kann durch Mischen des Substrats mit dem weiteren Substrat erreicht werden.Usually a third ammonium nitrogen concentration of the further substrate is smaller as the first ammonium nitrogen concentration. As a result, can also by the nature of the other substrate and its proportion in the fermentation substrate the second ammonium nitrogen concentration are lowered. The Further substrate can essentially be made from renewable vegetable raw materials be formed. Since the inventive method in particular efficient disposal of highly nitrogen-containing substrates, in particular poultry feces, is directed, the second ammonium nitrogen concentration in the fermentation substrate lowered by the addition of process water. Furthermore, a humiliation achieved by heating the substrate. Another humiliation can be achieved by mixing the substrate with the other substrate become.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Gärrests aus dem Gärsubstrat sich absetzendes Sediment mittels eines Haspelrührwerks im vergorenen Gärsubstrat suspendiert wird. Ein solchermaßen suspendierter Gärrest kann mittels einer Pumpe aus einem Gär reaktor abgeführt werden. Das ermöglicht eine besonders einfache Prozessführung.To A further embodiment of the invention provides that for the preparation of the fermentation residue from the fermentation substrate settling sediment by means of a coiler agitator in fermented fermentation substrate is suspended. Such a way suspended digestate can be removed by a pump from a fermentation reactor. That allows one particularly simple process control.
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal werden in einem weiteren Verfahrensschritt im Gärrest enthaltene Feststoffe mittels Mikrofiltration, vorzugsweise Ultrafiltration, abgetrennt. Die so hergestellten Pellets bilden einen wertvollen rieselfähigen Trockendünger.According to a further embodiment feature, solids contained in the digestate in a further process step are separated by means of microfiltration, preferably ultrafiltration. The pellets thus produced form a valuable rieselfähi dry fertilizer.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Umkehrosmoseverfahren um ein mehrstufiges Verfahren, bei dem zweckmäßigerweise eine erste Umkehrosmose und nachfolgend eine zweite Umkehrosmose durchgeführt wird.To a further advantageous embodiment is in the Reverse osmosis process by a multi-stage process in which expediently a first reverse osmosis and subsequently a second reverse osmosis is carried out.
Vorteilhafterweise kann ein Teil einer nach dem Abtrennen der Feststoffe aus dem Gärrest verbleibenden Restflüssigkeit abgezogen und als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet werden. Die Restflüssigkeit wird nachfolgend vorteilhafterweise mittels des Umkehrosmoseverfahrens weiter gereinigt. Dabei fällt einerseits gereinigtes Prozesswasser an, welches zum Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration verwendet wird. Ferner fällt dabei eine weitere Restflüssigkeit an, welche wiederum als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet werden kann.advantageously, may be part of a remaining after separating the solids from the digestate residual liquid withdrawn and as a liquid fertilizer or used for its production. The residual fluid is subsequently advantageously further by means of the reverse osmosis process cleaned. It falls on the one hand purified process water, which for adjusting the second ammonium nitrogen concentration is used. Further falls in the process another residual liquid, which in turn as liquid fertilizer or can be used for its production.
Falls gemäß der vorgenannten Ausgestaltung dem Verfahren Restflüssigkeit und/oder weitere Restflüssigkeit entzogen wird, wird zweckmäßigerweise ein etwa dem Volumen der abgezogenen Restflüssigkeit und/oder weiteren Restflüssigkeit entsprechendes Volumen an Flüssigkeit dem Gärsubstrat zugesetzt. Dabei kann als Flüssigkeit im Substrat oder im weiteren Substrat enthaltenes Wasser verwendet werden. Sofern dieses Wasser nicht ausreicht, kann ein ggf. verbleibendes Differenzvo lumen durch die Zugabe weiterer Flüssigkeit, vorzugsweise Frischwasser, Restwasser oder Abwasser, ausgeglichen werden. Beispielsweise können als Restwasser bei der Fruchtsaftherstellung abfallende Flüssigkeiten zum Ausgleich des Differenzvolumens verwendet werden.If according to the aforementioned Design of the method residual liquid and / or other residual liquid is withdrawn, is expediently an approximately the volume of the withdrawn residual liquid and / or further residual liquid corresponding volume of liquid added to the fermentation substrate. It can act as a liquid used in the substrate or in the further substrate water become. If this water is not sufficient, any remaining Differenzvo lumen by the addition of additional liquid, preferably fresh water, Residual water or sewage, be balanced. For example, as Residual water in fruit juice production sloping liquids used to compensate for the difference volume.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.following is an embodiment of the invention with reference to the drawing explained in more detail.
Die
einzige Zeichnung zeigt schematisch einen Verfahrensablauf. Als
Substrat S1 wird Geflügelkot
mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0
kg NH4-N/m3 verwendet.
Als weiteres Substrat S2 werden biogene Reststoffe, beispielsweise
Mais oder dgl., verwendet. Deren zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration
ist kleiner als die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration. Sie
beträgt üblicherweise
weniger als 3,0 kg NH4-N/m3.
Das erste Substrat S1 und das weitere Substrat S2 werden in einen
Mischer
Das
Substrat S1 wird vor der Zugabe zum Mischer
Zur
Herstellung eines Gärsubstrats
wird der Mischung Prozesswasser P und, falls erforderlich, zusätzlich Frischwasser
F zugesetzt. Nach dem Einstellen einer geeigneten Konsistenz wird
das so hergestellte Gärsubstrat
in einem Reaktor
Zum
Suspendieren von Feststoffen ist im Reaktor
Sobald
das Gärsubstrat
im Wesentlichen vergoren ist, wird es mittels des Haspelrührwerks
Die
flüssige
Phase wird mittels Ultrafiltration UF gereinigt und anschließend einer,
vorzugsweise zweistufigen, Umkehrosmose UO unterzogen. Nach Durchführung einer
ersten Umkehrosmosestufe fällt eine
flüssige
Phase an, die aus dem Prozess ausgekoppelt und als Flüssigdünger verwendet
werden kann. Nach Durchführung
einer zweiten Umkehrosmosestufe fällt Prozesswasser P an, welches
dem Mischer
Die
aus der Flüssig-/Festphasentrennvorrichtung
- 11
- Mischermixer
- 22
- Neutralisiervorrichtungneutralizer
- 33
- Reaktorreactor
- 44
- Haspelrührwerkreel agitator
- 55
- Flüssig-/FestphasentrennvorrichtungLiquid / solid phase separator
- BB
- Biogasbiogas
- FF
- Frischwasserfresh water
- PP
- Prozesswasserprocess water
- S1S1
- Substratsubstratum
- S2S2
- weiteres Substratadditional substratum
- UFUF
- Ultrafiltrationultrafiltration
- UOUO
- Umkehrosmosereverse osmosis
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